Μορφολογική και γενετική διαφοροποίηση πληθυσμών Artemia του παλαιού κόσμου

Abstract

Recording biodiversity and studying its processes are based on a number of different scientific fields. This task can be greatly facilitated by following multidisciplinary approaches, especially for organisms like Artemia with sexual and parthenogenetic forms. The genus Artemia (addressed by many scientists as “aquatic Drosophila”) can be used as a model system for evaluating different methods assessing biodiversity. This is due to a number of unique characteristics piled within the genus: 1) two types of reproduction (i.e., sexual and parthenogenetic), 2) oviparity (production of cysts) and ovoviviparity (release of nauplii), 3) different ploidy levels in parthenogenetic strains, 4) increased chromosome number in the bisexual species A. persimilis (2n = 44) and 5) distinctive distributions of the different forms. The phylogenetic relationships in the genus Artemia are still not clear. Difficulties in acquiring acceptable karyotypes, different ploidy levels, possible hybridization between A. franciscana and A. persimilis, varying patterns of reproductive isolation in Eastern Old World, cases of sympatry and/or coexistence between sexual and parthenogenetic forms and a plethora of newly discovered populations have made the elucidation of kinship among species an arduous task. Despite the detailed recording of Artemia biodiversity the last few years materialised by the use of multidisciplinary approaches, a robust account of the morphological and genetic differentiation of Old World Artemia populations has been missing. Additionally, there is a need for evaluating available analytical tools as well as new techniques for the characterization of Artemia species and/or strains. The novelty of this work lies within the combined analysis of two molecular markers (16S rDNA and ITS1) and morphometry aiming to characterize Old World Artemia populations. Furthermore, it is the first time that sequencing of ITS1 is used as a potential phylogenetic marker in Artemia population genetics. More specifically, the targets of this study were: 1) The analysis of morphological differentiation and the identification of diagnostic variables majorly responsible for the discrimination of different species/strains. 2) The study of the genetic differentiation and the phylogenetic relationships between Old World Artemia populations using mitochondrial (16S rDNA) and nuclear (ITS1) DNA markers. 3) The evaluation of the utility of the previous markers as tools for characterizing unknown Artemiα populations. 4) The study of biogeographic history and ages of all recognized species in the genus, with emphasis in the origin of parthenogenetic forms.

Η περιγραφή της βιολογικής ποικιλότητας (ιδιαίτερα σε γένη που περιλαμβάνουν τόσο αμφιγονικά είδη όσο και παρθενογενετικά στελέχη, όπως η Artemia) δεν μπορεί να στηριχτεί μόνο σε δεδομένα που προέρχονται από ένα πεδίο. Τα τελευταία χρόνια η πολυπαραγοντική προσέγγιση για τη μελέτη των διαδικασιών της βιοποικιλότητας κερδίζει συνεχώς έδαφος. Η Artemia διαθέτει μια σειρά χαρακτηριστικών που δικαία της έχουν δώσει δικαίως το προσωνύμιο «Drosophila του νερού», όπως: 1) η ύπαρξη δυο τύπων αναπαραγωγής (αμφιγονία και παρθενογένεση), 2) εμφάνιση ωοτοκίας (παραγωγή κύστεων) ή ωοζωοτοκίας (παραγωγή ναυπλίων), 3) διαφορετικά επίπεδα πλοειδίας μεταξύ των παρθενογενετικών πληθυσμών, 4) αύξηση ενός αριθμού χρωμοσωμάτων σε ένα αμφιγονικό είδος, 5) εμφάνιση προσαρμογών σε ακραία και εφήμερα περιβάλλοντα, και 6) μικρή διάρκεια γενεάς και μεγάλος αριθμός απογόνων. Τα χαρακτηριστικά αυτά σε συνδυασμό με τη μεγάλη οικονομική σημασία των κύστεων της Artemia στις υδατοκαλλιέργειες και την αναζήτηση νέων «πηγών» την καθιστούν εξαιρετικό υλικό για τη μελέτη των φαινομένων της βιοποικιλότητας. Την τελευταία 20ετία, οι φυλογενετικές σχέσεις στο γένος έχουν περιπλακεί ακόμη περισσότερο. Η δυσκολία στην κατασκευή καρυοτύπων και ο διαφορετικός βαθμός πλοειδίας των παρθενογενετικών στελεχών, η πιθανότητα επιτυχημένου υβριδισμού μεταξύ των A. franciscana και A. persimilis σε περιοχές της Αργεντινής, η ανακάλυψη και προσδιορισμός τριών νέων αμφιγονικών ειδών του Παλαιού Κόσμου (A. sinica και Α. tibetiana και Artemia sp. από το Καζακστάν), η ύπαρξη συμπατρικών αμφιγονικών και παρθενογενετικών πληθυσμών και ο σχετικά μεγάλος αριθμός πληθυσμών που ανακαλύπτεται κάθε χρόνο είναι μερικοί από τους παράγοντες που υποστηρίζουν ότι ο χαρακτηρισμός των πληθυσμών Artemia (απαραίτητος για την εύρεση των φυλογενετικών σχέσεων) γίνεται ολοένα και πιο επίπονος. Παρά την ενδελεχή καταγραφή της βιοποικιλότητας του γένους Artemia και την υιοθέτηση του πολυπαραγοντικού χαρακτηρισμού των πληθυσμών Artemia, απουσιάζει η διερεύνηση των μορφολογικών και γενετικών διαφοροποιήσεων μεταξύ των πληθυσμών Artemia του Παλαιού Κόσμου. Επίσης, αναζητούνται εύκολοι, γρήγοροι, αξιόπιστοι και με μικρό κόστος μέθοδοι χαρακτηρισμού των διαφόρων στελεχών/ειδών. Η πρωτοτυπία της εργασίας έγκειται στην ταυτόχρονη χρήση δυο γενετικών δεικτών (ενός μιτοχονδριακού και ενός πυρηνικού) και της μορφομετρίας των πληθυσμών. Επίσης, είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιείται η πρωτοταγής δομή του ITS1 για την εύρεση των φυλογενετικών σχέσεων των ειδών Artemia και των παρθενογενετικών πληθυσμών. Ο σκοπός της παρούσας ερευνητικής μελέτης συνοψίζεται στα παρακάτω: 1) Μορφομετρική μελέτη των πληθυσμών και χρήση πολυμεταβλητών στατιστικών μεθόδων με σκοπό: α) τον εντοπισμό διαφορών μεταξύ τους, β) πιθανών ομαδοποιήσεων και γ) τον ταυτόχρονο προσδιορισμό εκείνων των μορφομετρικών μεταβλητών που παρέχουν ισχυρό διαχωρισμό μεταξύ των πληθυσμών. 2) Μελέτη της γενετικής διαφοροποίησης και των φυλογενετικών σχέσεων μεταξύ των πληθυσμών Artemia του Παλαιού Κόσμου με τη χρήση ενός μιτοχονδριακού γενετικού δείκτη (16S) και ενός πυρηνικού (ITS1) και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με παλαιότερες εργασίες. 3) Η εκτίμηση των δυο προαναφερθέντων γενετικών δεικτών ως εργαλεία για το χαρακτηρισμό αγνώστων πληθυσμών Artemia. 4) Μελέτη της βιογεωγραφικής ιστορίας και της ηλικίας των ειδών Artemia, με έμφαση στην προέλευση και την εκτίμηση του χρόνου εμφάνισης της παρθενογένεσης στο γένος.